High voltage piezoelectric energy harvesting circuits for powering wearable electronics with human motion
저자
발행사항
Seoul : Sungkyunkwan university, 2020
학위논문사항
Thesis (Ph.D.)-- Sungkyunkwan university : Department of Electrical and Computer Engineering 2020. 8
발행연도
2020
작성언어
영어
주제어
발행국(도시)
서울
형태사항
viii, 93 p. : ill.(some col.), charts ; 30 cm
일반주기명
Adviser: Yoonmyung Lee
Includes bibliographical reference(p. 89-93)
UCI식별코드
I804:11040-000000159388
DOI식별코드
소장기관
Energy harvesting from the ambient environment has been drawing attention for its potential to realize self-powered IoT systems or wearable electronics. Piezoelectric generators (PEGs) are widely investigated for vibration energy harvesting due to abundance of vibrations in the ambient environment. Unlike traditional cantilever-based piezoelectric energy harvesters, which are designed for continuous input excitations, a flexible thin film piezoelectric generator (FTFPEG) could be used for irregular human motion energy harvesting. When attached to human body, FTFPEG generates aperiodic pulses of varying magnitudes. Measurements show that for a given amount of PEG deformation and generated charge, energy generated by PEG can be maximized by decreasing the load capacitance, which results in high PEG generated voltage (VP). Therefore, the proposed FTFPEG-based harvesting interface circuit significantly enhances energy extraction by load (capacitance) screening scheme and maximizes the VP up to >100V, while using standard voltage 0.18-µm process. The measurement results show the proposed FTFPEG-based harvesting interface successfully harvests energy from irregular pulsed inputs and enhances energy extraction up to 562% compared with the benchmark full bridge rectifier (FBR).
In worst-case scenario, for strong input excitations, VP can exceed the process limit (VMAX) and damage the integrated circuit (IC). Here, the PEG needs to beviii discharged to protect the IC, but it is also desirable to maintain the PEG voltage as high as possible for maximum energy extraction. Therefore, partial electric charge extraction (PECE) technique is introduced to enable energy harvesting from strong input excitations. In PECE, a small portion of the charges generated by the PEG are repeatedly transferred to the battery until the input excitation is finished. With PECE, the VP is automatically regulated at VMAX while maximizing energy extraction from the PEG. The measurement results with a test chip fabricated in 0.35-µm process show that the PECE-based harvester successfully harvests energy from the excitation with open-circuit voltage (VOC) of up to 60V, higher than VMAX of 30V, with up to 3.9× improvement compared to an FBR-based harvester.
Pre-biasing a PEG before its deformation increases PEG damping force, resulting in higher energy extraction. For this purpose, an energy investment approach is proposed, in which energy is invested to PEG only when deformation is detected. In this scheme, a storage capacitor is utilized for temporary energy storage at the end of deformation. A control circuit detects next deformation for energy-investment while keeping in account for VP polarity. After energy investment, VP keeps rising until its peak, where energy is transferred/harvested to storage/battery. Simulations with 0.35-µm BCD process show that the proposed harvesting interface successfully harvests energy from excitations with VOC of 100V, and achieves 8.38× improvement compared to an FBR-based harvester.
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